JP2007174937A - Particle carrying biological substance, sensor using the same and method for detecting specimen - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、生体物質を固定化し、生体物質を安定化させる技術に関する。より詳しくは、メソ孔の中に生体物質を担持した粒子に関し、バイオセンサーの応用が可能になる。 The present invention relates to a technique for immobilizing a biological material and stabilizing the biological material. More specifically, biosensors can be applied to particles that carry biological substances in mesopores.
酵素は、熱や環境によって容易に酵素を構成するタンパク質の立体構造が変化し、本来の機能を失うことが知られている。酵素やタンパク質を安定に扱うため、従来から種々の方法が検討されている。その1つに固体表面に酵素やタンパク質を担持する方法があり、例えば固定化酵素等実用化している技術がある。 It is known that an enzyme easily loses its original function due to changes in the three-dimensional structure of the protein constituting the enzyme depending on heat and the environment. Various methods have been studied in order to stably handle enzymes and proteins. One of them is a method of carrying an enzyme or protein on a solid surface, for example, a technique that has been put into practical use, such as an immobilized enzyme.
酵素の固定化には、ゾル−ゲル法で作成されたシリカ、溶融石英、多孔質の無機物、多孔質有機高分子材料などが使用されている。近年では,界面活性剤の分子集合体を鋳型にして形成されるメソポーラス材料、特にメソポーラスシリカへの固定化が提案されている。例えば特許文献1や特許文献2にその技術が記載されている。
しかし、従来のメソポーラスシリカに酵素を固定化する技術においては、いくつかの課題があった。すなわち、特許文献1や特許文献2に開示されているMCM−41やSBA−15のようなメソポーラスシリカの場合には、細孔径が小さく、細孔内に担持できるタンパク質は、サイズの小さいものに限定されていた。また,SBA−15のようなメソポーラスシリカは,ロッド状粒子の長軸方向に平行にチューブ状細孔径が形成されているために、チューブ状細孔のアスペクト比が大きく、細孔の内部へのタンパク質や基質の拡散が必ずしも良好ではなかった。また、表面における細孔の開口部の数が少なく、タンパク質の導入量が少なかった。
However, there are some problems in the technology for immobilizing an enzyme on conventional mesoporous silica. That is, in the case of mesoporous silica such as MCM-41 and SBA-15 disclosed in
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、アスペクト比の小さいメソ孔を有するメソポーラスシリカを用いて、生体物質の固定化担体に利用したものである。本発明者らは、鋭意検討の末、このようなロッド状の粒子の長軸方向を交差するアスペクト比の小さなメソ孔構造を生体物質の固定化担体に利用することによって、従来のメソポーラスシリカに比べ、大量の生体物質をメソ孔内部に吸着できた。さらに、固定化後も生体物質が安定化していることを確認した。 The present invention has been made in view of the above problems, and uses mesoporous silica having mesopores with a small aspect ratio as a carrier for immobilizing biological materials. As a result of diligent investigations, the present inventors have used conventional mesoporous silica by utilizing such a mesopore structure having a small aspect ratio that intersects the major axis direction of rod-shaped particles as a carrier for immobilizing biological materials. In comparison, a large amount of biological material was adsorbed inside the mesopores. Furthermore, it was confirmed that the biological material was stabilized even after immobilization.
すなわち本発明は、
ロッド状の粒子であって、
前記ロッド状の長軸方向に対して交差するメソ孔を有し、
前記メソ孔の中に生体物質を担持する粒子を提供するものである。
That is, the present invention
Rod-shaped particles,
Having mesopores intersecting the rod-shaped major axis direction;
The present invention provides particles that carry biological substances in the mesopores.
また本発明は、
検体を検出するセンサーであって、
ロッド状の粒子であって、前記ロッド状の長軸方向に対して交差するメソ孔を有し、且つ前記メソ孔の中に生体物質を担持する粒子と、
電極とを備え、
前記検体と前記メソ孔中に担持させた前記生体物質との反応に基づいた電気的出力信号を検出するセンサーを提供するものである。
The present invention also provides
A sensor for detecting a specimen,
Rod-shaped particles having mesopores intersecting with the rod-shaped major axis direction, and particles carrying a biological material in the mesopores,
With electrodes,
A sensor for detecting an electrical output signal based on a reaction between the specimen and the biological substance carried in the mesopores is provided.
さらに本発明は、
検体の検出方法において、
ロッド状の粒子であって、前記ロッド状の長軸方向に対して交差するメソ孔を有し、且つ前記メソ孔の中に生体物質を担持する粒子を用いたセンサーを用意する工程と、
前記センサーに検体を含む流体を付与する工程と、
前記生体物質と前記検体との反応に基づいた出力信号を検出する工程とを備える検体の検出方法を提供するものである。
Furthermore, the present invention provides
In the specimen detection method,
A rod-shaped particle, having a mesopore intersecting with the rod-shaped major axis direction, and preparing a sensor using particles carrying a biological substance in the mesopore;
Applying a fluid containing a specimen to the sensor;
The present invention provides a specimen detection method comprising a step of detecting an output signal based on a reaction between the biological substance and the specimen.
本発明によれば、アスペクト比が小さく、生体物質を大量にメソ孔内に固定化できる粒子を提供することが可能になる。これにより、バイオセンサー等に応用した場合の検出感度を高めることが可能になる。 According to the present invention, it is possible to provide a particle having a small aspect ratio and capable of immobilizing a large amount of biological material in a mesopore. Thereby, it becomes possible to increase the detection sensitivity when applied to a biosensor or the like.
以下、本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
先ず、本発明に用いられる多孔質材料について説明する。 First, the porous material used in the present invention will be described.
図1は,本発明に用いられるメソ孔がロッド状の粒子の長軸方向に交差している粒子の模式図である。本明細書では、メソ孔の位置をロッド状の粒子の長軸方向に交差する位置に配置されている又はロッド状の粒子の短軸方向に配向しているとの記載を用いているが、図1にしめした構造を表現しているものであり、別のもの表現しているものではない。 FIG. 1 is a schematic view of particles in which mesopores used in the present invention intersect with the long axis direction of rod-shaped particles. In this specification, although the position of the mesopore is arranged at a position intersecting with the major axis direction of the rod-shaped particle or is described as being oriented in the minor axis direction of the rod-shaped particle, It represents the structure shown in FIG. 1, and does not represent another.
ロッド状構造体の短軸方向にチューブ状のメソ孔が配列している。チューブ状メソ孔は、典型的には図1に示すようにメソ孔がハニカムパッキングしている。しかし,本発明に利用する多孔質体においてはチューブ状メソ孔がロッドの短軸方向にほぼ平行に形成されていれば良く、どのような配置のものでも良い。例えば、桝目の交差点にメソ孔が配置する構造でも良い。 Tubular mesopores are arranged in the short axis direction of the rod-like structure. As shown in FIG. 1, the tubular mesopores are typically packed with honeycombs. However, in the porous body used in the present invention, the tubular mesopores may be formed almost in parallel with the minor axis direction of the rod, and any arrangement may be used. For example, a structure in which meso holes are arranged at intersections of the meshes may be used.
本明細書でのロッド状構造体とは、例えば、図1に示すものを言い、長軸と短軸を有しているものである。電子顕微鏡で確認したときに、短軸は、150nmから500nmの範囲に入り、長軸は、0.5μmから2μmの範囲に入るものを言う。形状は、図1にあるように楕円、長方形、ひし形、多角形が考えられる。 The rod-like structure in this specification refers to, for example, that shown in FIG. 1 and has a major axis and a minor axis. When confirmed with an electron microscope, the short axis is in the range of 150 nm to 500 nm, and the long axis is in the range of 0.5 μm to 2 μm. As shown in FIG. 1, the shape may be an ellipse, a rectangle, a rhombus, or a polygon.
本発明におけるメソ孔(又はメソ細孔)とは、IUPACの定義によるもので、孔径が2nmから50nmの範囲の径の細孔を指す。より好ましくはメソ孔の孔径が、10nmから30nmであることがいい。これは壁面と酵素の相互作用により、酵素をより安定に担持できるためであると考えられる。また、メソ孔の長さは、孔径に対して10倍よりも大きく30倍以下であることが好ましい。これは、従来メソ孔の長さが長いため、十分な酵素が担持することができなかった。それに対して本発明の粒子は、アスペクト比が小さく、従来のメソポーラス粒子よりも飛躍的に大量の酵素を担持することが可能になっている。 The mesopore (or mesopore) in the present invention is defined by IUPAC and refers to a pore having a pore diameter in the range of 2 nm to 50 nm. More preferably, the mesopore diameter is 10 nm to 30 nm. This is considered to be because the enzyme can be more stably supported by the interaction between the wall surface and the enzyme. Further, the length of the mesopores is preferably greater than 10 times and 30 times or less with respect to the pore diameter. This is because conventional mesopores have a long length, and sufficient enzymes cannot be supported. On the other hand, the particles of the present invention have a small aspect ratio and can carry a much larger amount of enzyme than conventional mesoporous particles.
このメソポーラス粒子のメソ孔は、界面活性剤分子集合体(ミセル)が形成するものである。ある条件においてはミセルを形成する分子の会合数が等しいために、同じ形の細孔が形成されるものである。ミセルの形状は、球状、チューブ状、層状など種々の形態が知られているが、本発明に関わるメソポーラス材料を形成するミセルの形状は基本的にチューブ状のものである。チューブ間は繋がっていても分離されていても良い。 The mesopores of the mesoporous particles are formed by surfactant molecule aggregates (micelles). Under certain conditions, the same number of pores are formed because the number of associations of the molecules forming the micelles is equal. Various shapes such as a spherical shape, a tube shape, and a layer shape are known, but the shape of the micelle forming the mesoporous material according to the present invention is basically a tube shape. The tubes may be connected or separated.
本発明に利用されるメソポーラス材料において、多孔質材料の細孔壁を形成する材料は、上記細孔構造を有するものであれば、どのようなものでも適用可能である。例えば、酸化チタン、酸化スズ、酸化ケイ素などがある。その中で、ケイ素を成分を含む材料が好ましく、特にシリカが好ましく用いられる。また,1以上の炭素原子を含有する有機基と,前記有機基と2箇所以上で結合する2以上のケイ素原子と、前記ケイ素原子と結合する1以上の酸素原子から構成される有機シリカハイブリッド材料でも良い。 In the mesoporous material used in the present invention, any material that forms the pore wall of the porous material can be applied as long as it has the above-described pore structure. For example, there are titanium oxide, tin oxide, silicon oxide, and the like. Among them, a material containing silicon as a component is preferable, and silica is particularly preferably used. An organic silica hybrid material comprising an organic group containing one or more carbon atoms, two or more silicon atoms bonded to the organic group at two or more locations, and one or more oxygen atoms bonded to the silicon atom. But it ’s okay.
界面活性剤ミセルを鋳型に用いるアスペクト比の小さなメソポーラス材料の作成方法に関しては、例えば、Journal of the American Chemical Society詩第126巻第7740頁に記載されている。ただし、本発明に利用されるメソポーラス材料は、上記メソポーラス材料の特徴を満たすものであれば、これらの方法に限定されない。 A method for producing a mesoporous material having a small aspect ratio using a surfactant micelle as a template is described in, for example, Journal of the American Chemical Society, Vol. 126, p. 7740. However, the mesoporous material used in the present invention is not limited to these methods as long as it satisfies the characteristics of the mesoporous material.
以下、ゾル−ゲル法を用いた短軸配向性メソポーラスシリカの合成方法について説明する。 Hereinafter, a method for synthesizing short-axis-oriented mesoporous silica using a sol-gel method will be described.
反応溶液は、界面活性剤と有機分子、そして金属アルコキシド等の目的材料の原料になる物質を含む溶液である。細孔壁を形成する材料に応じて、加水分解反応触媒である酸等を適当量添加する場合もある。 The reaction solution is a solution containing a surfactant, an organic molecule, and a substance that becomes a raw material of a target material such as a metal alkoxide. Depending on the material forming the pore walls, an appropriate amount of acid or the like as a hydrolysis reaction catalyst may be added.
目的材料に応じて、原料としてハロゲン化物、カルコゲン化物、金属アルコキシド等が用いられる。例えば、細孔壁がシリカの場合には、金属アルコキシドであるテトラエトキシシランやテトラメトキシシランが好ましく用いられる。当然、アルコキシド以外のシリカ源でも本発明に適応可能である。 Depending on the target material, a halide, chalcogenide, metal alkoxide or the like is used as a raw material. For example, when the pore wall is silica, tetraethoxysilane or tetramethoxysilane which is a metal alkoxide is preferably used. Of course, silica sources other than alkoxides can be applied to the present invention.
使用する界面活性剤は、ポリエチレンオキシドを親水基として含むブロックコポリマーなどの非イオン性界面活性剤等が用いられる。しかし、使用可能な界面活性剤はこれらに限定されず、目的の構造が得られるものであれば特に限定しない。 As the surfactant to be used, a nonionic surfactant such as a block copolymer containing polyethylene oxide as a hydrophilic group is used. However, usable surfactants are not limited to these, and are not particularly limited as long as the desired structure can be obtained.
短軸方向へのチューブ状メソ細孔の配向制御は、添加する有機分子およびその添加量によって制御される。例えばn−デカンを添加することによって、短軸方向に配向した細孔構造を有したロッド状メソポーラスシリカが合成される。 The orientation control of the tubular mesopores in the short axis direction is controlled by the organic molecules to be added and the amount of the organic molecules to be added. For example, rod-shaped mesoporous silica having a pore structure oriented in the minor axis direction is synthesized by adding n-decane.
使用する酸も塩酸、硝酸のような一般的なものを使用することが可能である。 Common acids such as hydrochloric acid and nitric acid can also be used.
上記のような反応溶液を水熱条件下で反応させることにより,本発明のメソポーラス材料を合成することができる。合成させる際の温度は,80℃〜150℃の温度領域において選択される。反応時間は数時間〜数日程度で、反応温度や反応時間は適宜最適化される。 The mesoporous material of the present invention can be synthesized by reacting the above reaction solution under hydrothermal conditions. The temperature at the time of synthesis is selected in the temperature range of 80 ° C to 150 ° C. The reaction time is about several hours to several days, and the reaction temperature and reaction time are optimized as appropriate.
この様にして合成されたメソポーラス材料は、純水で洗浄した後に空気中で自然乾燥させることで、細孔内に界面活性剤ミセルをテンプレートとして含む無機−有機複合粉末材料が得られる。以上のように作製された無機−有機複合粉末材料からテンプレートの界面活性剤ミセルを除去することで、本発明に利用することができるアスペクト比の小さい短軸方向配向性のメソポーラス材料を作製することができる。界面活性剤の除去方法には、種々の方法があるが、細孔構造を破壊せずに界面活性剤を除去できる方法であれば、どのような方法を使用しても良い。 The mesoporous material synthesized in this manner is washed with pure water and then naturally dried in air, whereby an inorganic-organic composite powder material containing surfactant micelles as templates in pores is obtained. By removing the surfactant micelles of the template from the inorganic-organic composite powder material produced as described above, a short-axis-oriented mesoporous material with a small aspect ratio that can be used in the present invention is produced. Can do. There are various methods for removing the surfactant, and any method may be used as long as the surfactant can be removed without destroying the pore structure.
最も一般的に用いられる方法は、酸素を含んだ雰囲気中で焼成する方法である。例えば、合成した材料を空気中で、550℃において10時間焼成することによって、メソ孔構造をほとんど破壊することなく、完全に界面活性剤を除去することができる。焼成温度と時間は、細孔壁を形成する材料と使用する界面活性剤により、最適化されるのが好ましい。 The most commonly used method is a method of firing in an atmosphere containing oxygen. For example, by baking the synthesized material in air at 550 ° C. for 10 hours, the surfactant can be completely removed with almost no destruction of the mesopore structure. The firing temperature and time are preferably optimized depending on the material forming the pore walls and the surfactant used.
このような方法で合成したメソポーラス粉末試料について、窒素ガス吸脱着測定を行い、細孔径に関する知見を得ることができる。本発明におけるメソポーラス材料の細孔径は、実質的に均一な径であることを特徴とする。ここでいう均一径の細孔とは、窒素ガス吸着測定の結果から、Berret−Joyner−Halenda(BJH)法により評価される細孔径分布において、求められた細孔径分布が、単一の極大値を有する。さらに細孔径分布において、全メソ孔中の60%以上のメソ孔が、10nmの幅を持つ範囲内に含まれることを示す。尚、細孔径は、後に説明する界面活性剤を適宜選択することで変化させることができる。 About the mesoporous powder sample synthesize | combined by such a method, nitrogen gas adsorption / desorption measurement can be performed and the knowledge regarding a pore diameter can be obtained. The mesoporous material of the present invention is characterized in that the pore diameter is a substantially uniform diameter. As used herein, the uniform pore size refers to the pore size distribution determined by the Berret-Joyner-Halenda (BJH) method based on the results of nitrogen gas adsorption measurement, and the obtained pore size distribution is a single maximum value. Have Furthermore, in the pore size distribution, it indicates that 60% or more of mesopores in all mesopores are included in a range having a width of 10 nm. The pore diameter can be changed by appropriately selecting a surfactant described later.
細孔の周期構造はX線回折(XRD)測定によって知見を得ることが可能である。本発明におけるメソポーラス材料は、XRD測定において、1ナノメートル以上の構造周期に対応する角度領域に少なくとも1つの回折ピークを有することを特徴とする。 The periodic structure of the pores can be obtained by X-ray diffraction (XRD) measurement. The mesoporous material in the present invention is characterized by having at least one diffraction peak in an angular region corresponding to a structure period of 1 nanometer or more in XRD measurement.
本発明に利用されるメソポーラス材料のメソ細孔表面には、細孔壁の成分とは異なる材料、例えば、有機物や金属酸化物の層を形成させることが可能である。 On the surface of the mesoporous material of the mesoporous material used in the present invention, it is possible to form a material different from the pore wall component, for example, a layer of organic matter or metal oxide.
細孔表面を有機物で修飾する方法としては、シランカップリング剤で細孔表面を修飾する方法等が一般的に用いられる。無機酸化物で修飾方法としては、酸化物を形成し得る金属を含有する金属塩の水溶液を用いて細孔表面を修飾する方法等が一般的である。 As a method of modifying the pore surface with an organic substance, a method of modifying the pore surface with a silane coupling agent is generally used. As a modification method using an inorganic oxide, a method of modifying the pore surface using an aqueous solution of a metal salt containing a metal capable of forming an oxide is generally used.
シランカップリング剤は、一般的にR−Si−X3の化学式で表される化合物で、分子中に2個以上の異なった官能基を持っている。上記Xは無機材料から成る多孔体表面と反応することができる部位である。例えば、メソポーラス材料がシリカである場合は、Sol−Gel Science誌1989年第662頁に記述されている。ここには、細孔表面に存在するシラノール基の水素が有機ケイ素基によって置換され、Si−O−Si−R結合を形成し、細孔表面に有機物Rの層を形成することが開示されている。 A silane coupling agent is a compound generally represented by a chemical formula of R—Si—X 3 and has two or more different functional groups in the molecule. Said X is a site | part which can react with the porous body surface which consists of inorganic materials. For example, when the mesoporous material is silica, it is described in Sol-Gel Science 1989, page 662. Here, it is disclosed that hydrogen of a silanol group existing on the pore surface is replaced by an organosilicon group to form a Si—O—Si—R bond and form a layer of organic matter R on the pore surface. Yes.
Xとしては、クロル基、アルコキシ基、アセトキシ基、イソプロペノキシ基、アミノ基等が知られているが、本発明において特に限定はない。また、細孔表面と反応し、Rの層を形成することができれば、Xが三官能基のものでなくても、二官能基や一官能基のカップリング剤を用いても良い。 As X, a chloro group, an alkoxy group, an acetoxy group, an isopropenoxy group, an amino group and the like are known, but there is no particular limitation in the present invention. Further, as long as it can react with the pore surface and form an R layer, a bifunctional or monofunctional coupling agent may be used even if X is not a trifunctional group.
一方上記Rは有機基であり、アミノ基やカルボン基、マレイミド基等が好ましく用いられるが、上記有機基に限定したものではない。 On the other hand, R is an organic group, and an amino group, a carboxylic group, a maleimide group, or the like is preferably used, but is not limited to the organic group.
次に、酸化物を形成し得る金属を含有する金属塩の水溶液を用いて細孔表面を修飾する方法について説明する。ここでいう酸化物とは、金属等の元素と酸素の結合を少なくとも1つ有する化合物の事を指す。酸化物層を形成し得る金属としては、チタン、アルミニウム、ジルコニウム、スズ等がある。例えば、メソポーラスシリカをオキシ硝酸ジルコニウムの水溶液で処理を行うことにより、表面にジルコニウムの酸化物層を形成することが可能である。ただし、細孔表面に金属酸化物の層を形成することができる金属塩の水溶液であれば、前記金属塩を構成する金属は、これらに限定されない。 Next, a method for modifying the pore surface using an aqueous solution of a metal salt containing a metal capable of forming an oxide will be described. The oxide here refers to a compound having at least one bond between an element such as a metal and oxygen. Examples of the metal that can form the oxide layer include titanium, aluminum, zirconium, and tin. For example, by treating mesoporous silica with an aqueous solution of zirconium oxynitrate, an oxide layer of zirconium can be formed on the surface. However, the metal constituting the metal salt is not limited thereto as long as it is an aqueous solution of a metal salt capable of forming a metal oxide layer on the pore surface.
続いて、本発明の生体物質生体物質固定化材料について説明する。 Subsequently, the biological material-immobilized material of the present invention will be described.
この生体物質を固定化した材料の構造の例を図2に、模式的に示した。この図において,21は前記短軸方向配向性の構造体であり、22はメソポーラス材料の細孔壁である。23はタンパク質、酵素等の生体物質であり、24はこれら生体物質と特異的結合性を持った基質や反応特異性を持ったフラグメントである。
An example of the structure of the material on which the biological substance is immobilized is schematically shown in FIG. In this figure, 21 is the structure having the orientation in the short axis direction, and 22 is a pore wall of the mesoporous material.
また、不図示ではあるが、22と23を連結するアンカーがあっても良い。このアンカーは生体物質の大きな構造変化を抑制して安定に維持する効果を与える場合もあるが、必須の構成要素ではない。 Further, although not shown, there may be an anchor that connects 22 and 23. This anchor may give an effect of suppressing and maintaining a large structural change of the biological material, but is not an essential component.
アンカーを構成する成分としては、メソポーラス材料と基本的には同じ構造が望ましい。 As a component constituting the anchor, basically the same structure as that of the mesoporous material is desirable.
特に生体物質に結合するために、次のような官能基を有していることが好ましい。
水酸基、アミド基、アミノ基、ピリジン基、ウレア基、ウレタン基、カルボン基、フェノール基、アゾ基、ヒドロキシル基、マレイミド基、シラン誘導体、アミノアルキレン基
個々の細孔には1個またはそれ以上の生体物質を収容する。したがって、この細孔は生体物質を固定化するのに適した大きさが必要であり、その大きさは固定化する生体物質の大きさにより適宜決定される。
In particular, it preferably has the following functional groups for binding to biological materials.
Hydroxyl group, amide group, amino group, pyridine group, urea group, urethane group, carboxylic group, phenol group, azo group, hydroxyl group, maleimide group, silane derivative, aminoalkylene group One or more in each pore Contains biological material. Accordingly, the pores need to have a size suitable for immobilizing the biological material, and the size is appropriately determined depending on the size of the biological material to be immobilized.
細孔内に生体物質を固定化する場合、静電的結合により細孔内表面に吸着させることが好ましい。しかし、静電的結合による保持だけではなくvan der waals力、水素結合,イオン結合の非共有結合などで生体物質を細孔内に保持することも可能である。 When immobilizing a biological substance in the pores, it is preferable to adsorb it on the surface of the pores by electrostatic bonding. However, it is possible to hold biological materials in the pores not only by electrostatic bonding but also by van der Waals force, hydrogen bonding, ionic bonding non-covalent bonding, and the like.
固定化する生体物質としては、抗原や抗体、タンパク質、酵素分子がある。またFab抗体などの活性部位を含む断片であっても良い。生体物質は、動植物や微生物から抽出し、所望によりそれを切断しても良く、また遺伝子工学的、化学的に合成しても良い。 Examples of biological substances to be immobilized include antigens, antibodies, proteins, and enzyme molecules. Further, it may be a fragment containing an active site such as Fab antibody. The biological material may be extracted from animals or plants or microorganisms, and may be cleaved if desired, or may be synthesized genetically or chemically.
以下、実施例を用いて、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は実施例の内容に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail using an Example, this invention is not limited to the content of an Example.
本実施例は、実質的に均一なチューブ状メソ細孔がロッドの短軸方向に対して並行に形成されたメソポーラスシリカを作製し、酵素の固定化剤として利用した例である。 In this example, mesoporous silica having substantially uniform tubular mesopores formed in parallel to the minor axis direction of the rod was produced and used as an enzyme immobilizing agent.
2.40gの非イオン界面活性剤であるトリブロックコポリマー(EO20PO70EO20;HO(CH2CH2O)20(CH2CH(CH3)O)70(CH2CH2O)20H)を76.5mlの純水に溶解させた。さらに7.5mlの36wt.%濃塩酸を添加し、室温で30分撹拌した。続いて、n−デカンを13.9g添加し、室温で2時間撹拌した。さらに,この混合溶液に加水分解触媒としてNH4Fを0.027g,および5.10gのテトラエトキシシラン(TEOS)を添加したものを前駆溶液とした。最終的な前駆溶液の組成(モル比)は、TEOS:HCl:EO20PO70EO20:NH4F:n−decane:H2O=0.25:0.9:0.004:0.007:1:42.9となるようにした。 2.40 g of triblock copolymer (EO 20 PO 70 EO 20 ; HO (CH 2 CH 2 O) 20 (CH 2 CH (CH 3 ) O) 70 (CH 2 CH 2 O) 20 as a nonionic surfactant H) was dissolved in 76.5 ml of pure water. In addition, 7.5 ml of 36 wt. % Concentrated hydrochloric acid was added, and the mixture was stirred at room temperature for 30 minutes. Subsequently, 13.9 g of n-decane was added and stirred at room temperature for 2 hours. Further, 0.027 g of NH 4 F as a hydrolysis catalyst, and a material obtained by adding 5.10g of tetraethoxysilane (TEOS) was a precursor solution to the mixed solution. The composition (molar ratio) of the final precursor solution was TEOS: HCl: EO 20 PO 70 EO 20 : NH 4 F: n-decane: H 2 O = 0.25: 0.9: 0.004: 0. 007: 1: 42.9.
この前駆体溶液を40℃において、20時間撹拌し、100℃で48時間反応させた。得られた白色沈殿物は純水で十分に洗浄し、真空乾燥させた。 This precursor solution was stirred at 40 ° C. for 20 hours and reacted at 100 ° C. for 48 hours. The obtained white precipitate was sufficiently washed with pure water and vacuum-dried.
得られた粉末試料を、空気中550℃で焼成し、細孔内から界面活性剤を分解・除去し、中空の細孔とした。界面活性剤等の有機物の除去は、赤外吸収スペクトルによって確認された。 The obtained powder sample was fired in air at 550 ° C., and the surfactant was decomposed and removed from the pores to form hollow pores. Removal of organic substances such as surfactants was confirmed by infrared absorption spectrum.
合成されたメソポーラスシリカ粉末をX線回折法により評価した結果、図3のように面間隔11.7nmのヘキサゴナル構造の(100)面に帰属される回折ピークを始め、(110)、(200)、(210)面に帰属される回折ピークを確認した。この結果は、このメソポーラスシリカの細孔構造が、高い規則性を持ったヘキサゴナル配列を有していることを示している。 As a result of evaluating the synthesized mesoporous silica powder by the X-ray diffraction method, as shown in FIG. 3, the diffraction peak attributed to the (100) plane of the hexagonal structure having a surface interval of 11.7 nm was started, (110), (200) , A diffraction peak attributed to the (210) plane was confirmed. This result shows that the pore structure of this mesoporous silica has a hexagonal arrangement with high regularity.
77Kにおける窒素吸脱着等温線測定を行った結果、吸着等温線形状はIUPAC分類におけるIV型となった。B.E.T.法によって算出された比表面積は700m2/gとなり、細孔容量は1.88ml/gとなった。また、この吸着等温線の結果から、BJH法により細孔径を算出すると、本実施例で合成したメソポーラスシリカの細孔径分布は、14.3nmに単一のピークを有する狭い分布となり、細孔の90%以内が10nmの分布内に収まった。 As a result of the nitrogen adsorption / desorption isotherm measurement at 77K, the adsorption isotherm shape became type IV in the IUPAC classification. B. E. T.A. The specific surface area calculated by the method was 700 m 2 / g, and the pore volume was 1.88 ml / g. Further, when the pore diameter is calculated by the BJH method from the results of the adsorption isotherm, the pore diameter distribution of the mesoporous silica synthesized in this example is a narrow distribution having a single peak at 14.3 nm, Within 90% was within the distribution of 10 nm.
次に、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察を行ったところ、図4のようにロッド状の構造体が確認された。さらに高倍率でSEM観察を行ったところ、図5のように構造体の短軸方向に直径14nmのチューブ状メソ細孔が配向していた。また、その断面図では図6のように、比較的均一なチューブ状のメソ細孔がハニカムパッキングした細孔構造を形成していた。尚、観察中に電子線によりメソ細孔構造が破壊されることはなかった。 Next, when observation was performed using a scanning electron microscope (SEM), a rod-shaped structure was confirmed as shown in FIG. Further, when SEM observation was performed at a high magnification, tubular mesopores having a diameter of 14 nm were oriented in the minor axis direction of the structure as shown in FIG. Moreover, in the cross-sectional view, as shown in FIG. 6, a relatively uniform tube-shaped mesopore formed a pore structure in which honeycomb packing was performed. During observation, the mesopore structure was not destroyed by the electron beam.
次に、この合成されたメソポーラスシリカのメソ細孔内に、酸化還元酵素の一種である西洋わさびペルオキシダーゼ(HRPと略記,平均直径=4.8nm,等電点(IEP)=7.8)を固定化させ、熱と有機溶媒に対する安定性を測定した。 Next, a horseradish peroxidase (abbreviated as HRP, average diameter = 4.8 nm, isoelectric point (IEP) = 7.8), which is a kind of oxidoreductase, in the mesopores of the synthesized mesoporous silica. After immobilization, the stability against heat and organic solvent was measured.
5mMのリン酸緩衝液(pH=7.0)を用いてHRPを5mg/mlに調製し、この酵素溶液1ml中に、合成した前記メソポーラスシリカを10mg添加した。混合溶液は4℃、20時間の条件下でシェーカーを用いて攪拌し、HRPをメソポーラスシリカ細孔内に吸着させた。反応終了後、4℃、10分、20000gで遠心分離を行いHRP−メソポーラスシリカの沈殿物は純水で3回洗浄した。この際、元の酵素溶液と上澄み液のそれぞれをUV−Vis吸光度測定を行った。HRPの403nmにおける吸収極大を利用し、吸着前後の濃度変化からHRPのメソポーラスシリカへの吸着量を算出した。洗浄後の酵素固定化メソポーラスシリカは、10時間の凍結真空乾燥を行い粉末試料を得た。吸着したHRPはメソポーラスシリカの1gの重量に対し、252mg/gと高い値を示した。また、リン酸緩衝液のpHを変化させることによって、HRPの吸着量が変化した。この結果から、HRPとメソポーラスシリカ細孔は、静電的相互作用によって固定化されているものと考えられる。 HRP was adjusted to 5 mg / ml using 5 mM phosphate buffer (pH = 7.0), and 10 mg of the synthesized mesoporous silica was added to 1 ml of this enzyme solution. The mixed solution was stirred using a shaker at 4 ° C. for 20 hours to adsorb HRP into the mesoporous silica pores. After completion of the reaction, the mixture was centrifuged at 20000 g for 10 minutes at 4 ° C., and the precipitate of HRP-mesoporous silica was washed 3 times with pure water. At this time, each of the original enzyme solution and the supernatant was subjected to UV-Vis absorbance measurement. Using the absorption maximum at 403 nm of HRP, the adsorption amount of HRP to mesoporous silica was calculated from the concentration change before and after adsorption. The enzyme-immobilized mesoporous silica after washing was freeze-dried for 10 hours to obtain a powder sample. The adsorbed HRP showed a high value of 252 mg / g with respect to the weight of 1 g of mesoporous silica. Moreover, the adsorption amount of HRP changed by changing the pH of the phosphate buffer. From this result, it is considered that HRP and mesoporous silica pores are immobilized by electrostatic interaction.
細孔の中にHRP分子が導入されていることは、HRP吸着後のメソポーラスシリカにおける窒素吸着測定により、その細孔への吸着量が減少したことで確認した。 The introduction of HRP molecules into the pores was confirmed by a decrease in the amount of adsorption into the pores by measuring nitrogen adsorption on mesoporous silica after HRP adsorption.
次に上記方法によって作製されたHRPを固定化したメソポーラスシリカを用いて,トルエン中での酸化反応による有機溶媒への耐性およびフェノールの酸化反応による熱に対する安定性を測定した。 Next, the mesoporous silica immobilizing HRP produced by the above method was used to measure the resistance to an organic solvent by an oxidation reaction in toluene and the stability to heat by an oxidation reaction of phenol.
メソポーラスシリカに固定化されたHRPの有機溶媒中での酵素活性を評価するために、酸化剤にtert−ブチルヒドロペルオキシドを用いた,トルエン中での1,2−ジアミノベンゼンの酸化反応を利用した。50mM 1,2−ジアミノベンゼンを含む無水トルエンを8mlとn−デカンにtert−ブチルヒドロペルオキシドを溶解して調製した1.1M tert−ブチルヒドロペルオキシド溶液2mlとを混合した。この混合溶液1mlに上記方法によって調製されたHRP固定化メソポーラスシリカ10mgを加え、37℃で反応を開始させた。1,2−ジアミノベンゼンの酸化によって生成する1,2−ジニトロベンゼンの470nmでの吸光度を測定し、経時変化を求めることによってトルエン溶媒中でのHRPの酵素活性を決定した。
In order to evaluate the enzymatic activity of HRP immobilized on mesoporous silica in an organic solvent, the oxidation reaction of 1,2-diaminobenzene in toluene using tert-butyl hydroperoxide as an oxidizing agent was used. . 8 ml of anhydrous toluene containing 50
また比較試験としてHRPそのものを0.5mg調製し、上記の酸化反応を行い、同様に470nmでの吸光度の上昇を測定した。その結果を図7に示す。HRP(Free HRP)だけではトルエン中における酸化反応は全く起こらなかったが、HRPを固定化したメソポーラスシリカでは、非常に高い活性を示した。これは、トルエンにHRPを添加した直後にHRPが変性してしまったためであると考えられ、メソポーラスシリカにHRPを固定化することによって高い安定性を発現していることが分かった。 As a comparative test, 0.5 mg of HRP itself was prepared and subjected to the above oxidation reaction, and the increase in absorbance at 470 nm was similarly measured. The result is shown in FIG. Oxidation reaction in toluene did not occur at all with HRP (Free HRP) alone, but mesoporous silica with HRP immobilized showed very high activity. This is considered to be because HRP was denatured immediately after adding HRP to toluene, and it was found that high stability was expressed by immobilizing HRP on mesoporous silica.
続いて、HRPを固定化したメソポーラスシリカおよび固定化していない通常のHRPをリン酸緩衝溶液中、70度で0〜2時間熱処理した。その後、残存の酵素活性を測定した結果を図8に示す。メソポーラスシリカ内に固定化されたHRPの熱安定性は、フェノールの酸化分解速度を測定することによって決定した。フェノールの定量は4−アミノアンチピリン比色法を用いた。 Subsequently, mesoporous silica with HRP immobilized and normal HRP without immobilization were heat-treated at 70 ° C. for 0 to 2 hours in a phosphate buffer solution. Then, the result of having measured the residual enzyme activity is shown in FIG. The thermal stability of HRP immobilized in mesoporous silica was determined by measuring the oxidative degradation rate of phenol. For the determination of phenol, a 4-aminoantipyrine colorimetric method was used.
上記HRP吸着によって調製したHRP固定化メソポーラスシリカ10mgに、50mM 酢酸ナトリウム緩衝液(pH=4.0)400μlを加え、70℃で30、60、90、120分間それぞれ加熱した。加熱後遠心分離を行いHRP固定化シリカを純水で2回洗浄した。次に50mM Tris−HCl(ヒドロキシメチルアミノメタン塩酸塩)緩衝液(pH=7.5)400μl、5000ppmフェノール水溶液8μl、30%過酸化水素水2μlを加えて、37℃にて30分間反応させた。遠心分離後、上澄み液を150μlと1Mのグリシン水溶液(pH=9.6)で調製した1% ヘキサシアノ鉄酸塩と1% 4−アミノアンチピリンをそれぞれ150μl、300μl加え撹拌した後、すばやく500nm付近の吸光度を測定した。 400 μl of 50 mM sodium acetate buffer (pH = 4.0) was added to 10 mg of HRP-immobilized mesoporous silica prepared by the above HRP adsorption, and heated at 70 ° C. for 30, 60, 90, and 120 minutes, respectively. Centrifugation was performed after heating, and the HRP-immobilized silica was washed twice with pure water. Next, 400 μl of 50 mM Tris-HCl (hydroxymethylaminomethane hydrochloride) buffer (pH = 7.5), 8 μl of 5000 ppm phenol aqueous solution, and 2 μl of 30% hydrogen peroxide water were added, and the mixture was reacted at 37 ° C. for 30 minutes. . After centrifugation, the supernatant was added with 150 μl and 1 M glycine aqueous solution (pH = 9.6) of 1% hexacyanoferrate and 1% 4-aminoantipyrine 150 μl and 300 μl, respectively, and stirred. Absorbance was measured.
固定化されていないHRPは、70℃、30分の熱処理により酵素活性が半減してしまい2時間後には初期の酵素活性に対し約10%しか活性を示さなかった。これに対してHRPを固定化したメソポーラスシリカでは、熱に対する高い安定化効果が確認された。70℃、2時間の熱処理後も90%以上の酵素活性を有していた。 Non-immobilized HRP had its enzyme activity halved by heat treatment at 70 ° C. for 30 minutes, and showed only about 10% of the initial enzyme activity after 2 hours. On the other hand, in the mesoporous silica in which HRP is fixed, a high stabilization effect against heat was confirmed. Even after heat treatment at 70 ° C. for 2 hours, the enzyme activity was 90% or more.
上記のフェノールの酸化反応を用いて、HRPの温度依存性を測定した結果を図9に示した。HRPおよび固定化HRPは、25℃から100℃で、それぞれ30分前処理した後、酵素活性を測定した。通常のHRPが70℃,30分の条件下において、残存活性が0%になったのに対して短軸配向性メソポーラスに固定化したHRPは同条件下でも50%以上の活性を示した。また、100℃で処理をしても0%になることはなく、40%近くの酵素活性を保持していた。 The results of measuring the temperature dependency of HRP using the above-described phenol oxidation reaction are shown in FIG. HRP and immobilized HRP were pretreated at 25 to 100 ° C. for 30 minutes, respectively, and then enzyme activity was measured. Normal HRP had a residual activity of 0% under conditions of 70 ° C. and 30 minutes, whereas HRP immobilized on a short-axis oriented mesoporous showed an activity of 50% or more even under the same conditions. Moreover, even if it processed at 100 degreeC, it did not become 0% and the enzyme activity of 40% was hold | maintained.
(比較例1)
比較例として、ロッド状粒子の長軸方向に平行にチューブ状細孔径が形成されているSBA−15を合成し、HRPの吸着及び有機溶媒中の安定効果を測定した。SBA−15の合成方法は、例えば、Science誌第279号第548頁に記載されている。
(Comparative Example 1)
As a comparative example, SBA-15 having a tubular pore diameter formed parallel to the long axis direction of rod-shaped particles was synthesized, and the adsorption effect of HRP and the stability effect in an organic solvent were measured. A method for synthesizing SBA-15 is described, for example, in Science 279, page 548.
合成したSBA−15をX線回折法により評価した結果、面間隔9.8nmのヘキサゴナル構造の(100)面に帰属される回折ピークを確認した。また、窒素吸着等温線測定より合成したSBA−15は800m2/gの比表面積と7.4nmの細孔径を有していた。 As a result of evaluating the synthesized SBA-15 by the X-ray diffraction method, a diffraction peak attributed to the (100) plane of a hexagonal structure having a plane spacing of 9.8 nm was confirmed. SBA-15 synthesized from nitrogen adsorption isotherm measurement had a specific surface area of 800 m 2 / g and a pore diameter of 7.4 nm.
合成したSBA−15を実施例1と同様のHRP吸着実験を行った。HRPの吸着量は25mg/gとなり、本発明に利用した短軸配向性メソポーラスシリカに比べ、1/10以下の非常に少ない吸着量を示した。また、HRP吸着後の試料を用いた窒素吸着等温線解析から、HRPの吸着前後でSBA−15の細孔容量に減少が見られず、HRPがSBA−15細孔内にほとんど吸着していないことが分かった。HRPの平均直径が4.8nm、SBA−15の細孔径が7.4nmであることを考慮すると細孔の開口部が少ないため、吸着しにくい状態であったことが予想される。またメソポーラスシリカへのHRPの経時吸着量を測定した結果、飽和吸着量に達する時間が、短軸配向性メソポーラスシリカにおいて非常に短かった。 SRP-15 synthesized was subjected to the same HRP adsorption experiment as in Example 1. The amount of HRP adsorbed was 25 mg / g, showing an extremely small amount of adsorption of 1/10 or less compared to the short-axis oriented mesoporous silica used in the present invention. Moreover, from the nitrogen adsorption isotherm analysis using the sample after HRP adsorption, there is no decrease in the pore volume of SBA-15 before and after the adsorption of HRP, and HRP is hardly adsorbed in the SBA-15 pores. I understood that. Considering that the average diameter of HRP is 4.8 nm and the pore diameter of SBA-15 is 7.4 nm, it is expected that the adsorption was difficult due to the small number of pore openings. As a result of measuring the amount of HRP adsorbed on mesoporous silica over time, the time to reach the saturated adsorption amount was very short in the short-axis oriented mesoporous silica.
続いて、このSBA−15を用いて上記方法によるHRPの有機溶媒安定性の測定を行い、本発明によるメソポーラスシリカとの比較を行った。僅かにSBA−15に固定化されたHRPによる酵素活性が観察された。しかし、SBA−15固定化HRPにおいて、反応開始と共に徐々に反応生成物である1,2−ジニトロベンゼンが確認された。これに対し、本発明のメソポーラスシリカでは,反応開始直後からSBA−15に比べて10倍以上の1,2−ジニトロベンゼンが確認された。 Subsequently, the organic solvent stability of HRP was measured by the above method using this SBA-15, and compared with the mesoporous silica according to the present invention. Slight enzyme activity by HRP immobilized on SBA-15 was observed. However, in the SBA-15-immobilized HRP, 1,2-dinitrobenzene as a reaction product was gradually confirmed as the reaction started. In contrast, in the mesoporous silica of the present invention, 1,2-dinitrobenzene more than 10 times that of SBA-15 was confirmed immediately after the start of the reaction.
したがって、本発明者らはこれらの結果をSBA−15ではロッド状粒子の長軸方向に平行にチューブ状細孔径が形成されているためにチューブ状細孔のアスペクト比が大きい。これにより、外部から細孔の内部、および細孔内部から外部へのHRPや基質の拡散が悪いこと、及び、表面における細孔の開口部の数が少ないため、HRPや基質の導入が遅くなることが原因であると推察した。この結果から、本発明に利用した短軸配向性のメソポーラスシリカが、生体物質等の担持剤として優れている点が明らかになった。 Therefore, the present inventors have found that these results show that the SBA-15 has a large aspect ratio of the tubular pores because the tubular pore diameter is formed parallel to the long axis direction of the rod-shaped particles. As a result, the diffusion of HRP and the substrate from the outside to the inside of the pore and from the inside to the outside of the pore is poor, and the number of pore openings on the surface is small, so the introduction of HRP and the substrate is slow. I guessed it was the cause. From this result, it was revealed that the short-axis oriented mesoporous silica used in the present invention is excellent as a carrier for biological substances and the like.
本実施例は、実施例1で作製した短軸配向性メソポーラスシリカ表面をジルコニウムの酸化物で修飾し、ウシ血清アルブミン(BSAと略記,直径=7.0nm,IEP=4.7)を固定化させ熱に対する安定性を測定した例である。 In this example, the short-axis oriented mesoporous silica surface prepared in Example 1 was modified with zirconium oxide to immobilize bovine serum albumin (abbreviated as BSA, diameter = 7.0 nm, IEP = 4.7). This is an example of measuring heat stability.
オキシ硝酸ジルコニウム2水和物10gを純水90mlに添加し、室温で溶解させ10wt%のオキシ硝酸ジルコニウム水溶液を調製した。この溶液に実施例1で合成した短軸配向性のメソポーラスシリカを添加して、20時間浸漬させた。その後、遠心分離により上澄みを取り除き、純水で3回洗浄し室温で乾燥させた。 10 g of zirconium oxynitrate dihydrate was added to 90 ml of pure water and dissolved at room temperature to prepare a 10 wt% zirconium oxynitrate aqueous solution. The short-axis oriented mesoporous silica synthesized in Example 1 was added to this solution and immersed for 20 hours. Thereafter, the supernatant was removed by centrifugation, washed 3 times with pure water, and dried at room temperature.
ジルコニウムで修飾した短軸配向性メソポーラスシリカをX線回折法により評価した結果、修飾前とほぼ同様の回折パターンを示し、メソ孔の周期構造が壊れていないことを確認した。また、X線光電子分光分析(XPS)を用いてシリカ表面の化学結合状態を測定した結果、Zr−Oに起因するピークが確認され、シリカ表面にジルコニウムの酸化物層が形成されていることを確認した。 As a result of evaluating the short-axis oriented mesoporous silica modified with zirconium by the X-ray diffraction method, the diffraction pattern showed almost the same as before modification, and it was confirmed that the periodic structure of the mesopores was not broken. Moreover, as a result of measuring the chemical bonding state on the silica surface using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), a peak due to Zr-O was confirmed, and that a zirconium oxide layer was formed on the silica surface. confirmed.
続いて、ジルコニウム修飾後のメソポーラスシリカの細孔内にBSAを固定化し、HRP標識した抗BSA抗体との抗原抗体反応を利用して安定化効果を測定した。 Subsequently, BSA was immobilized in the pores of the mesoporous silica after the modification with zirconium, and the stabilizing effect was measured using an antigen-antibody reaction with an HRP-labeled anti-BSA antibody.
ジルコニウム修飾後の短軸配向性メソポーラスシリカ10mgに、10mMのリン酸緩衝液(pH=5.0)を用いてBSAを1mg/mlに調製した溶液を5ml添加し、4℃で6時間撹拌した。これにより、メソポーラスシリカのメソ細孔内にBSAを固定化させた。その後、純水で3回洗浄した。なお、ジルコニウム修飾していない短軸配向性のメソポーラスシリカを用いてBSAの吸着実験を行ったところ、全く吸着しなかった。 5 ml of a solution prepared by adjusting BSA to 1 mg / ml using 10 mM phosphate buffer (pH = 5.0) was added to 10 mg of short-axis oriented mesoporous silica after zirconium modification, and the mixture was stirred at 4 ° C. for 6 hours. . As a result, BSA was immobilized in the mesopores of mesoporous silica. Then, it washed 3 times with pure water. In addition, when a BSA adsorption experiment was performed using mesoporous silica with short axis orientation not modified with zirconium, no adsorption was observed.
上記のBSA固定化メソポーラスシリカに、西洋わさびペルオキシダーゼで標識した抗BSA抗体(HRP−antiBSAと略記)を添加し、室温にて所定時間(1〜4時間)反応させた。非特異吸着した(HRP−antiBSA)を除くために、この固定化メソポーラスシリカを純水で数回洗浄した。その後、凍結真空乾燥を行い、この乾燥試料を37℃で任意の時間放置した。次に50mM Tris−HCl(pH=7.5)400μl、5000ppmフェノール水溶液 8μl、30%過酸化水素水2μlを加えて、37℃にて30分間反応させた。遠心分離後、上澄み液を150μlと1Mのグリシン水溶液(pH=9.6)で調製した1% ヘキサシアノ鉄酸塩と,1% 4−アミノアンチピリンをそれぞれ150μl、300μl加え撹拌した。その後、すばやく500nm付近の吸光度を測定し固定化されたBSAに特異的に結合したHRP−antiBSAに標識されたHRPの酵素活性を測定した。 An anti-BSA antibody (abbreviated as HRP-antiBSA) labeled with horseradish peroxidase was added to the BSA-immobilized mesoporous silica, and reacted at room temperature for a predetermined time (1 to 4 hours). In order to remove non-specifically adsorbed (HRP-antiBSA), this immobilized mesoporous silica was washed several times with pure water. Thereafter, freeze-drying was performed, and the dried sample was allowed to stand at 37 ° C. for an arbitrary time. Next, 400 μl of 50 mM Tris-HCl (pH = 7.5), 8 μl of a 5000 ppm phenol aqueous solution, and 2 μl of 30% aqueous hydrogen peroxide were added and reacted at 37 ° C. for 30 minutes. After centrifugation, 150 μl and 300 μl of 1% hexacyanoferrate and 1% 4-aminoantipyrine prepared with 150 μl of supernatant and 1 M glycine aqueous solution (pH = 9.6) were added and stirred. Thereafter, the absorbance near 500 nm was quickly measured, and the enzyme activity of HRP labeled with HRP-antiBSA specifically bound to the immobilized BSA was measured.
また、メソポーラスシリカに対して、非特異的なオバルブミン(卵白アルブミン,直径7.0nm,IEP4.9)を上記の方法と同様にして固定化し、前述の抗BSA抗体を反応させ、両者の吸光度の差を上記手順により測定した。その結果、非特異的なオバルブミンは、本実施例によるBSA固定化メソポーラスシリカに比べ、HRP活性が明らかに小さかった。これらの結果より、メソポーラスシリカにBSAが固定化され、且つメソポーラスシリカへの固定化後も細孔内において有効に抗原抗体反応が起きていることを確認した。 In addition, non-specific ovalbumin (ovalbumin, 7.0 nm in diameter, IEP 4.9) was immobilized on mesoporous silica in the same manner as described above, reacted with the above-mentioned anti-BSA antibody, and the absorbance of both was measured. The difference was measured by the above procedure. As a result, non-specific ovalbumin had clearly lower HRP activity than the BSA-immobilized mesoporous silica according to this example. From these results, it was confirmed that BSA was immobilized on mesoporous silica and that an antigen-antibody reaction was effectively occurring in the pores after immobilization on mesoporous silica.
また、上記で得たBSA固定化メソポーラスシリカと通常のBSA粉末を乾燥状態において40℃で3週間保存した後、同様のHRP活性による変化を測定した。37℃で乾燥保存を開始する直前の両者の結合活性を100とした結果、固定化していないBSAは1週間後には相対活性が0となり、完全に失活してしまった。一方、階層的メソポーラスシリカに固定化したBSAは、3週間後においても90%以上の相対活性を示した。 Further, after the BSA-immobilized mesoporous silica obtained above and normal BSA powder were stored in a dry state at 40 ° C. for 3 weeks, the same change due to HRP activity was measured. As a result of setting the binding activity of both of them immediately before starting dry storage at 37 ° C. to 100, the non-immobilized BSA had a relative activity of 0 after 1 week and was completely inactivated. On the other hand, BSA immobilized on hierarchical mesoporous silica showed a relative activity of 90% or more even after 3 weeks.
本実施例は、実施例1で合成した短軸配向性メソポーラスシリカの表面をシランカップリング剤を用いて修飾しα−アミラーゼを共有結合によってシリカ表面に固定化させた例である。 In this example, the surface of the short-axis oriented mesoporous silica synthesized in Example 1 was modified with a silane coupling agent, and α-amylase was immobilized on the silica surface by a covalent bond.
実施例1で合成した短軸配向性メソポーラスシリカ1.0gをトルエンで調製した10%(v/v)の3−aminopropyl triethoxysilane溶液の50ml中に添加し、この溶液を窒素雰囲気下において120℃で48時間撹拌した。反応後、沈殿物は濾過し、トルエン、メタノール、ジクロロメタンで洗浄した後、室温で乾燥させた。 1.0 g of the short-axis oriented mesoporous silica synthesized in Example 1 was added to 50 ml of a 10% (v / v) 3-aminopropyl triethoxysilane solution prepared with toluene, and the solution was added at 120 ° C. under a nitrogen atmosphere. Stir for 48 hours. After the reaction, the precipitate was filtered, washed with toluene, methanol, and dichloromethane, and then dried at room temperature.
次にこの乾燥試料の1.0gをリン酸緩衝溶液(pH=6.6)で調製した2.5% glutaraldehyde溶液の25mlに溶解させ室温で1時間撹拌した。得られた沈殿物は純水を用いて4回以上洗浄し、その後室温において乾燥した。 Next, 1.0 g of this dried sample was dissolved in 25 ml of a 2.5% glutaraldehyde solution prepared with a phosphate buffer solution (pH = 6.6) and stirred at room temperature for 1 hour. The obtained precipitate was washed four times or more with pure water and then dried at room temperature.
Glutaraldehydeで修飾した短軸配向性メソポーラスシリカをX線回折法により評価した結果、修飾前とほぼ同様の回折パターンを示しており、メソ細孔構造が壊れていないことを確認した。また、FT−IRを用いてシリカ表面に導入した官能基の同定を行った結果、R−CH=N、C=O、−CHOに起因するピークがそれぞれ確認されシリカ表面にSi(CH2)3N=CH(CH2)3CHOが共有結合していることを確認した。 As a result of evaluating the short-axis oriented mesoporous silica modified with Glutaraldehyde by X-ray diffraction, the diffraction pattern was almost the same as that before modification, and it was confirmed that the mesopore structure was not broken. Moreover, as a result of identifying the functional group introduced into the silica surface using FT-IR, peaks due to R—CH═N, C═O, and —CHO were confirmed, and Si (CH 2 ) was observed on the silica surface. 3 N = CH (CH 2) 3 CHO was confirmed to be covalently attached.
続いて、修飾後のメソポーラスシリカの細孔内にα−アミラーゼを固定化し澱粉のマルトースへの加水分解反応を用いて安定化効果を測定した。 Subsequently, α-amylase was immobilized in the pores of the modified mesoporous silica, and the stabilization effect was measured using a hydrolysis reaction of starch to maltose.
50mMのリン酸緩衝液(pH=6.0)を用いてα−アミラーゼを1mg/mlに調製し、この溶液1ml中に上記方法で合成・修飾した短軸配向性メソポーラスシリカ0.2gを添加した。混合溶液は4℃、20時間の条件下でシェーカーを用いて含浸させ、α−アミラーゼをメソポーラスシリカ細孔内に吸着させた。反応終了後、ペレットを濾過して、純水で3回洗浄した。この際、元の酵素溶液と上澄み液のそれぞれを,UV−Vis吸光度測定を行った。α−アミラーゼの280nmにおける吸収極大を利用し、吸着前後の濃度変化からメソポーラスシリカへの吸着量を算出した。吸着したα−アミラーゼは140mg/gと高い値を示した。表面修飾を行わなかったメソポーラスシリカへの同条件でのα−アミラーゼの吸着実験では、ほとんど吸着挙動を示さなかった。したがって、α−アミラーゼがシリカ表面に修飾した−CHOおよびα−アミラーゼの−NH2と結合しシリカ表面に固定化された。 Α-Amylase was prepared to 1 mg / ml using 50 mM phosphate buffer (pH = 6.0), and 0.2 g of short-axis oriented mesoporous silica synthesized and modified by the above method was added to 1 ml of this solution. did. The mixed solution was impregnated using a shaker at 4 ° C. for 20 hours to adsorb α-amylase into the mesoporous silica pores. After completion of the reaction, the pellet was filtered and washed 3 times with pure water. At this time, each of the original enzyme solution and the supernatant was subjected to UV-Vis absorbance measurement. Using the absorption maximum of α-amylase at 280 nm, the amount of adsorption to mesoporous silica was calculated from the change in concentration before and after adsorption. The adsorbed α-amylase showed a high value of 140 mg / g. In the adsorption experiment of α-amylase under the same conditions to mesoporous silica not subjected to surface modification, the adsorption behavior was hardly exhibited. Therefore, α-amylase was bonded to —CHO modified on the silica surface and —NH 2 of α-amylase and immobilized on the silica surface.
続いて、アミラーゼ固定化メソポーラスシリカおよび固定化していないフリーのアミラーゼを酢酸ナトリウム緩衝溶液中25℃から70℃でそれぞれ熱処理した後、酵素活性を測定した。 Subsequently, amylase-immobilized mesoporous silica and non-immobilized free amylase were each heat-treated in a sodium acetate buffer solution at 25 ° C. to 70 ° C., and then enzyme activity was measured.
上記アミラーゼ固定化メソポーラスシリカ10mgに50mM 酢酸ナトリウム緩衝液(pH=5.0)400μlを加え、25℃から70℃でそれぞれ30分処理した。加熱後遠心分離を行いアミラーゼ固定化シリカを純水で2回洗浄した。同様の50mM酢酸ナトリウム緩衝液を用いて、0.125%の可溶性澱粉を調製し、この澱粉溶液の300μlを洗浄後のアミラーゼ固定化シリカに添加し、40℃で15分反応させた。反応停止後、遠心分離により上澄みを得て、この上澄み溶液に1mlの0.5N酢酸及びヨウ素−カリウム溶液(0.015%ヨウ素−0.15%ヨウ化カリウム溶液)を3ml加え、よく撹拌してから700nmにおける吸収極大を測定した。通常のα−アミラーゼが60℃、30分の条件下において、相対活性が20%になったのに対して、短軸配向性メソポーラスシリカに固定化したα−アミラーゼでは、同条件下において90%以上の相対活性を示し、安定化効果が確認された。 400 μl of 50 mM sodium acetate buffer (pH = 5.0) was added to 10 mg of the above amylase-immobilized mesoporous silica, and each was treated at 25 to 70 ° C. for 30 minutes. Centrifugation was performed after heating, and the amylase-immobilized silica was washed twice with pure water. Using the same 50 mM sodium acetate buffer, 0.125% soluble starch was prepared, 300 μl of this starch solution was added to the washed amylase-immobilized silica, and reacted at 40 ° C. for 15 minutes. After stopping the reaction, a supernatant was obtained by centrifugation, and 3 ml of 1 ml of 0.5N acetic acid and iodine-potassium solution (0.015% iodine-0.15% potassium iodide solution) was added to the supernatant solution and stirred well. Then, the absorption maximum at 700 nm was measured. Normal α-amylase had a relative activity of 20% under the conditions of 60 ° C. and 30 minutes, whereas α-amylase immobilized on short-axis oriented mesoporous silica had 90% under the same conditions. The above relative activity was shown and the stabilization effect was confirmed.
実施例1で合成した短軸配向性のメソポーラスシリカの細孔内に、ヤギ由来のIgG Fabフラグメント(直径約12nm)を固定化させ抗原−抗体間の特異的結合反応を利用して、抗体の安定性測定を行った例である。 A goat-derived IgG Fab fragment (diameter of about 12 nm) was immobilized in the pores of the short-axis oriented mesoporous silica synthesized in Example 1, and a specific binding reaction between an antigen and an antibody was used. This is an example of stability measurement.
実施例1で合成した短軸配向性メソポーラスシリカおよび比較例1で使用したSBA−15各10mgに、抗マウス免疫グロブリンG(IgG)のFabフラグメントを10mMリン酸緩衝液で1mg/mlに調製した溶液を10ml添加した。その溶液を4℃で6時間撹拌することによりメソポーラスシリカのメソ孔内に抗体を固定化させた。UV−Vis吸光光度計を用いて280nmでの吸光度を測定することによって、Fabの吸着量を算出した。短軸配向性のメソポーラスシリカにおいては、約150mg/mlのFabの細孔内吸着を確認した。しかし、通常のSBA−15では全く吸着を確認できなかった。 The short-axis oriented mesoporous silica synthesized in Example 1 and 10 mg of SBA-15 used in Comparative Example 1 were each prepared with a Fab fragment of anti-mouse immunoglobulin G (IgG) to 1 mg / ml with 10 mM phosphate buffer. 10 ml of solution was added. The solution was stirred at 4 ° C. for 6 hours to immobilize the antibody in the mesopores of mesoporous silica. The amount of Fab adsorbed was calculated by measuring the absorbance at 280 nm using a UV-Vis absorptiometer. In the short-axis oriented mesoporous silica, about 150 mg / ml Fab was observed in the pores. However, adsorption could not be confirmed at all with ordinary SBA-15.
その後、純水で3回洗浄した。上記の抗体固定化メソポーラスシリカに西洋わさびペルオキシダーゼで標識したマウス由来のIgG抗体(HRP−IgGと略記)溶液を添加し、室温にて所定時間(1〜4時間)反応させた。非特異吸着したHRP−IgGを除くために、この抗原−抗体固定化メソポーラスシリカを純水で数回洗浄した。その後、凍結真空乾燥を行いこの乾燥試料を37℃で任意の時間放置した。次に50mM Tris−HCl(pH=7.5)400μl、5000ppmフェノール水溶液 8μl、30%過酸化水素水2μlを加えて、37℃にて30分間反応させた。遠心分離後、上澄み液を150μlと1Mのグリシン水溶液(pH=9.6)で調製した1% ヘキサシアノ鉄酸塩と1% 4−アミノアンチピリンをそれぞれ150μl、300μl加え撹拌した。その後、すばやく500nm付近の吸光度を測定し、固定化されたFabフラグメントに特異的に結合したIgG抗体に標識されたHRPの酵素活性を測定した。 Then, it washed 3 times with pure water. A mouse-derived IgG antibody (abbreviated as HRP-IgG) labeled with horseradish peroxidase was added to the above antibody-immobilized mesoporous silica, and reacted at room temperature for a predetermined time (1 to 4 hours). In order to remove non-specifically adsorbed HRP-IgG, this antigen-antibody-immobilized mesoporous silica was washed several times with pure water. Thereafter, freeze-drying was performed, and the dried sample was allowed to stand at 37 ° C. for an arbitrary time. Next, 400 μl of 50 mM Tris-HCl (pH = 7.5), 8 μl of a 5000 ppm phenol aqueous solution, and 2 μl of 30% aqueous hydrogen peroxide were added and reacted at 37 ° C. for 30 minutes. After centrifugation, 150 μl and 300 μl of 1% hexacyanoferrate and 1% 4-aminoantipyrine prepared with 150 μl of supernatant and 1M glycine aqueous solution (pH = 9.6) were added and stirred. Thereafter, the absorbance at around 500 nm was quickly measured, and the enzymatic activity of HRP labeled on the IgG antibody specifically bound to the immobilized Fab fragment was measured.
また、前記の短軸配向性メソポーラスシリカに対して、抗マウスではないIgGのFabフラグメントを上記の方法と同様にして固定化した。前述のマウス由来のIgG抗体に特異的な結合をするFabと非特異的なFabとを用いた場合の両者の吸光度の差を上記手順により測定した。その結果、抗マウスではないIgGのFabフラグメントは、本実施例による抗マウスIgGのFabフラグメント固定化メソポーラスシリカに比べ、HRP活性が明らかに小さかった。これらの結果より、短軸配向性メソポーラスシリカに直径12nmの活性化物質が固定化されかつメソポーラスシリカへの固定化後も、細孔内において有効に抗原抗体反応が起きていることを確認した。 Further, non-anti-mouse IgG Fab fragments were immobilized on the short-axis oriented mesoporous silica in the same manner as described above. The difference in absorbance between the above-mentioned Fab and non-specific Fab was measured according to the above procedure. As a result, the non-anti-mouse IgG Fab fragment clearly had lower HRP activity than the anti-mouse IgG Fab fragment-immobilized mesoporous silica according to this example. From these results, it was confirmed that the active substance having a diameter of 12 nm was immobilized on the short-axis oriented mesoporous silica and that the antigen-antibody reaction was effectively carried out in the pores after the immobilization on the mesoporous silica.
また、上記で得たFab固定化メソポーラスシリカと固定化していないFab粉末を乾燥状態において37℃で3週間保存し、抗原抗体反応によるHRP活性の変化を測定した。37℃で乾燥保存を開始する直前の両者の結合活性を100とした結果、通常のFabフラグメントは12時間で相対活性が0となり、完全に失活してしまった。一方、短軸配向性メソポーラスシリカに固定化したFabフラグメントによる抗原抗体反応は、2週間後においても80%以上の相対活性を示した。 The Fab-immobilized mesoporous silica obtained above and the non-immobilized Fab powder were stored in a dry state at 37 ° C. for 3 weeks, and the change in HRP activity due to the antigen-antibody reaction was measured. As a result of setting the binding activity of both of them immediately before starting dry storage at 37 ° C. as 100, the normal Fab fragment had a relative activity of 0 in 12 hours and was completely inactivated. On the other hand, the antigen-antibody reaction by the Fab fragment immobilized on the short-axis oriented mesoporous silica showed a relative activity of 80% or more even after 2 weeks.
11 メソ孔を有したロッド状構造体
12 メソ細孔
13 細孔壁
21 短軸配向性のロッド状構造体
22 細孔壁
23 酵素やタンパク質を始めとする生体物質
24 生体物質と特異的結合をする基質などのフラグメント
11 Rod-like structure with
Claims (9)
前記ロッド状の長軸方向に対して交差するメソ孔を有し、
前記メソ孔の中に生体物質を担持することを特徴とする粒子。 Rod-shaped particles,
Having mesopores intersecting the rod-shaped major axis direction;
Particles characterized by carrying a biological substance in the mesopores.
請求項1記載の粒子と、
電極とを備え、
前記検体と前記メソ孔中に担持させた前記生体物質との反応に基づいた電気的出力信号を検出することを特徴とするセンサー。 A sensor for detecting a specimen,
Particles according to claim 1;
With electrodes,
An electrical output signal based on a reaction between the specimen and the biological material carried in the mesopore is detected.
請求項1記載の粒子を用いたセンサーを用意する工程と、
前記センサーに検体を含む流体を付与する工程と、
前記生体物質と前記検体との反応に基づいた出力信号を検出する工程とを備えることを特徴とする検体の検出方法。 In the specimen detection method,
Preparing a sensor using the particles of claim 1;
Applying a fluid containing a specimen to the sensor;
And a method of detecting an output signal based on a reaction between the biological material and the sample.
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